粉細砂地層地鐵暗挖隧道智能注漿加固技術

摘要：為提升粉細砂地層地鐵暗挖隧道的施工安全性和施工效率，以水玻璃-硫酸作為注漿材料，以KBY-50/70注漿泵為主要設備，設計智能注漿系統來控制注漿加固效果。結果表明：利用智能注漿加固技術，可顯著提升注漿精確度，避免材料和資源浪費，節約工程造價，同時還能保證良好的粉細砂圍巖注漿加固效果，確保施工安全。

關鍵詞：粉細砂；地鐵暗挖隧道；水玻璃-硫酸；注漿加固；系統設計

0" "引言

粉細砂是一種以粒徑0.075～0.25mm為主（占比大于50%）土顆粒組成砂類土，具有密度小、抗剪切變形能力弱、易崩解、抗沖刷能力不強、滲透系數小等特點，屬于一種不良地質，在地鐵隧道施工中比較常見。由于粉細砂特殊的工程性質，需要在開挖前對其進行超前注漿加固，但是諸如水泥漿或者水泥-水玻璃漿液在此類地層中并不適用，往往到不到預期的加固效果。

而采用水玻璃-硫酸作為粉細砂地層的注漿材料[1-2]，如何選取合理的注漿工藝，對注漿過程和質量進行控制，一直是施工界的一大難題，處理不好并不能起到應有的加固或者防滲效果，為此有必要對現行傳統注漿加固方式進行改進。在此背景下，本文基于實際工程，提出一種智能注漿加固技術，以期能為類似工程提供借鑒。

1" "工程概況

成都軌道交通17號線陽公橋站至龍爪堰站暗挖隧道區間左線全長115.523m，右線全長113.896m，左、右線隧道最小水平凈距4.2m，隧道頂埋深約6.0～6.6m。工程區從上往下地層依次為雜填土、粉質黏土、中細砂（稍密）、粉細砂（密實）、卵石土（稍密）、卵石土（中密）、卵石土（密實），隧道主要位于粉細砂地層中，地下水埋深為5.6～7.8m，地下水平均埋深約6.75m。

本工程采用CRD工法及改進后CRD工法兩種工法施工，由于本工程埋深淺，且砂卵石地層自穩能力較差，因此需要進行超前支護。超前支護采用大管棚超前預注漿加固的方式，超前大管棚采用Ф108的鋼花管，施打范圍為拱部150°，環向間距0.4m，外插角為1°～2°。大管棚前部鉆注漿孔，孔徑10mm，孔間距20cm，呈梅花形布置。暗挖隧道地質剖面如圖1所示。

2" "注漿材料選擇與配制

2.1" " 材料選取

地鐵工程中常用的注漿材料包括純水泥漿、水泥-水玻璃漿、HSC 特種灌漿水泥、水玻璃-硫酸等。純單液水泥漿一般應用于無水粗砂及礫砂（卵）石層，水泥-水玻璃漿一般適用于有水粗砂及礫砂（卵）石層，HSC 特種灌漿水泥一般適用于動水粉細砂地層，而水玻璃-硫酸適用于無水中砂、粉細砂地層。考慮到本工程粉細砂滲透系數（1×10-4～5×10-3cm/s）很小，無法使用水泥漿液進行注漿加固，因此選用水玻璃-硫酸作為注漿材料。

2.2" " 漿液配制

粉細砂地層注漿材料要求具備具有良好的滲透性能佳、固結強度高、擴散能力強、經濟安全性等性能，主要考察指標為凝結時間和固砂體強度[3]。選用39Be'水玻璃溶液和質量分數為98%的濃硫酸配制對應的注漿漿液。

首先，需要將39Be'水玻璃溶液稀釋到15Be'[水玻璃：水=1：2（體積比）]，把濃硫酸稀釋到20%濃度[濃硫酸：水=1：7（體積比）]；其次，將稀釋后的水玻璃和硫酸按3.6：1的體積比例，配制成水玻璃-硫酸混合漿液，將混合漿液的PH值調整為3～4；最后，對混合漿液的各指標進行測試，結果見表1。

從表1中可知：配制的水玻璃-硫酸混合漿液凝結時間為45min，可滿足在注漿結束10～20min（注漿時間一般為25～35min）后凝結的要求，28d固砂體強度可達到0.36MPa，具有一定的自穩性，擴散半徑為0.489m，可滿足加固范圍要求。

3" "智能注漿系統

3.1" " 主要設備選型

注漿設備選用KBY-50/70型注漿泵，工作壓力為0.5～7MPa，最大摻量為50L/min，缸套直徑為110mm，活塞行程為180mm，往復次數為16次/min，電機功率為11kW，整機外形尺寸長×寬×高為1300mm×720mm×700mm，整機質量為300kg。該型號設備為雙層拌漿桶，規格為1.2m3，單次拌漿量為0.6m3。輔助配套設施包括注漿塞、孔口膠管、壓力表、流量計等[4]。

3.2" " 智能監測系統設計

依據工程現場粉細砂地層的致密性和地下水情況，初步計算得到斷面所需注漿量為4.39m3。由于注漿加固屬于隱秘性工程，施工質量和效果很難把控，依靠施工人員工程經驗進行灌注施工，往往很難達到預期的加固效果，因此有必要對注漿過程中的各項參數進行實時監控，然后根據實時監控系統對注漿參數（如注漿壓力、流量、注漿量等）進行及時修正，從而實現智能注漿加固。

智能監測系統要求具備系統管理功能、通信功能、參數設置功能、計算功能、數據顯示功能、統計與分析功能等多重功能[5]。本系統將注漿過程劃分為稱重單元、輸送單元、制漿單元、儲漿單元和注漿泵單元等5個單元，如圖2所示。5個子單元均采用PLC控制，PLC內部包含數據寄存器和信號轉換器，將各參數的監測數據傳輸至PLC后，經過數據分析，然后轉換為設備可以接受的控制信號，從而實現智能注漿。智能監測系統結構如圖2所示。

顯示與設置均在觸摸屏上進行，這樣可以取代機械式的按鈕面板，從而減少施工過程中因按鈕失效導致不必要的停工現象。參數設置界面包括系統參數、運行參數和工藝參數等3種。系統參數界面包括水流量計量程、出漿流量計量程、密度計量程、稱重校正、疏松電機電流和液位等6個參數；運行參數包括理論密度、制漿量、水灰比、干粉關閉閾值、預加水、制漿時間、輸漿時間、額定電流偏差、出漿記錄周期、注漿次數、儲液上限、儲液下限等12個參數；工藝設定參數則主要顯示制漿質量和體積、干粉量、干粉量閾值、制漿時間、額定電流、電流偏差、預加水量、輸漿時間等。制漿記錄界面主要包括注漿日期和時間、干粉量、配水量、總重等參數，同時將制漿數據和出漿數據分別單獨存儲。系統顯示與設置界面如圖3所示。

3.3" " 系統單元調試

系統設計完成后，在現場實際應用前，需要對系統稱重單元、輸送單元、制漿單元、儲漿單元和注漿泵單元進行調試。稱重單元主要包括重量傳感器、振動電機以及氣動插板，采用砝碼進行調試，結果顯示實際重量與程序設定重量一致，插板動作和振動電機動作正常。輸送單元是稱重單元和制漿單元的連接模塊，為了實現漿液的精確配比，提高材料利用效率，采用變頻控制器來控制水平傳送電機，變頻器和水平電機均工作正常。

制漿單元是控制漿液粘稠度的關鍵一環，對于注漿效果有直接影響。在確保硫酸和水玻璃量一定的情況下，加水量就成為主要的控制指標。調試過程中共進行了8組試驗，結果見圖4。從圖4中可知：實際加水量與設定加水量基本一致，最大誤差為1.3%，平均誤差僅為0.44%，滿足制漿質量要求。

儲漿單元的主要功能是通過攪拌電機和聲波式液位探測器，對制好的漿液實現動態儲漿監測，防止某些漿液長期處于靜止狀態而初選提前凝結現象。當液位低于液位限值時，攪拌電機處于關閉狀態。當液位高于液位限值時，攪拌機將處于工作狀態。對7組液位進行了測試，結果見表2。從表2中可知：儲漿電機根據實際液位和設定液位關系，均能處在正常的運行狀態。

注漿單元是控制注漿質量的最后環節。系統采用電磁流量計來統計注漿量，要求理論注漿量與實際注漿量相差不超過5%，共進行了10組測試，結果見圖5。從圖5中可知，理論注漿量與實際注漿量基本一致，最大誤差為0.8%，平均誤差0.48%，注漿量準確度得到有效保障。

4" "注漿流程及效果

粉細砂地層水玻璃-硫酸注漿工藝流程如下：注漿設備和智能監測系統調試→稀釋水玻璃→稀釋硫酸→制作導管→打孔→安裝導管→噴合封閉掌子面→配制漿液→現場測試→注漿→清洗器具→結束注漿[6]。

隨機選取多個加固斷面進行取芯，然后進行抗壓試驗，結果顯示：粉細砂固結體的最大28d強度為0.67MPa，最小28d強度為0.33MPa，平均28d強度達到0.49MPa。由此說明，通過智能注漿加固可以保證良好的注漿質量和效果，對于維持粉細砂地層開挖過程中的穩定性具有重要意義，可有效保證施工安全。

5" "結語

本文針對低滲透性粉細砂地層無法適用水泥漿液進行加固的特點，提出采用水玻璃-硫酸作為注漿材料，并設計了智能注漿系統來控制注漿加固效果。測試結果表明：設計的智能注漿系統可將制漿加水誤差控制和注漿量控制在0.5%以內，注漿精確度相比傳統人工控制方式有較大的幅度提升，注漿之后的圍巖28d平均強度達到了0.49MPa，注漿效果良好，可為類似地質條件下的隧道開挖施工提供借鑒。

參考文獻

[1] 王勇.改性水玻璃漿液在粉細砂地層中注漿加固的應用[J].石家莊鐵路職業技術學院學報，2021，20（1）：78-83.

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[3] 關振偉.粉細砂地層注漿施工酸性水玻璃膠凝時間研究[J].中國水能及電氣化，2019（11）：13-16.

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[5] 袁丁，王小平，韓曉娜，等.智能化一體注漿設備動態系統設計與應用[J].石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2018，31（4）：66-71.

[6] 劉建平.鐵路隧道注漿控制技術研究[J].工程機械與維修，2021（3）：82-83.